Internet Qos路由与业务工程

2019-11-03 10:11:18

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Internet Qos路由与业务工程摘要本文阐述了传统ip路由协议存在的问题。回顾了QoS路由技术在电路交换网络，ATM网络和IP网络中的演讲与应用。论述了业务工程在Internet中的基本功能，以及与之相关的约束路由和MPLS技术。关键词 Internet QoS路由约束路由 MPLS 业务工程1 传统Internet路由协议存在的问题随着Internet的快速发展，网络拥塞问题变得越来越严重。网络资源不足或不平均的业务分配都可能引起网络拥塞。对于第一种情况，所有的路由器和链路都超载，因而唯一的解决办法是通过升级网络基础设施来提供更多的资源。对于第二种情况，网络中的某些部分发生超载时，其它部分的负载却很轻。目前使用的动态路由协议RIP和OSPF会引起不平均的业务分配，因为它们总是选择最短路径来转发数据包。结果，两个节点间最短路径上的路由器和链路可能发生拥塞，而在较长路径上的路由器和链路却空闲着。对于简单的网络，网络管理员或许可以人工配置链路的代价，从而可以平均分配业务，而对于复杂的网络，这几乎是不可能的。要解决这个问题，就需要下面讨论的QoS路由技术和业务工程。2QoS路由技术基于网络状态的QoS路由已经有很长的历史，特别是在电路交换网络中。在早期的数据和虚电路分组网络中也使用了这种路由技术。最近几年来，这种路由技术也是ATM网络研究的内容。ATM网络的业务特征和拓扑结构与电路交换网络有很大的不同。回顾QoS路由技术的实现方法，对于理解问题和解决问题都是很有意义的。2.1电路交换网络中的QoS路由在ITU－T建议E.170、E.171和E.DYN中定义了4种路由方法：固定路由（FR）、基于时间路由（TDR）、基于状态路由（SDR）和基于事件路由（EDR）。由于固定路由不属于QoS路由，所以在这里只讨论后面3种。（1）基于时间路由（TDR）基于时间路由的路由表在一天或一周的固定时刻改变。TDR路由表是事先确定的，并在一定的时间段内保持不变。TDR路由表是根据网络中的业务负载随时间的变化而确定的，通常是考虑不同地点业务高峰期不同。动态无级路由（DNHR）是TDR的一个例子。（2）基于状态路由（SDR）在基于状态路由中，路由表依据网络的状态自动改变。在一种给定的SDR方法中，实施一定的路由表规则。当网络的状态改变时，选择相应的路由，并在相对短的时间内使用它。网络状态信息可以是由一个中心处理器收集，也可以分布到网络中的交换机。信息交换可以是定期的，也可以是按需进行。SDR方法的原则是基于网络的状态信息，选择最好的通道。例如，在最轻负载路由（LLR）方法中，通过计算候选通道的剩余容量，选择剩余容量最大的通道。通常，基于不同的因素，如网络负载状态或拥塞状态，SDR为每个连接请求计算通道代价。动态控制路由（DCR）和实时网络路由（RTNR）是SDR的例子。（3）基于事件路由（EDR）在基于事件路由中，路由表的更新是依据在一给定通道上连接建立成功或失败。如果最短通道有足够的容量，EDR就首先使用它。否则，就选择当前使用中的备用通道。如果当前使用的备用通道阻塞了一个连接，依据EDR路由表现则，从一组可用备用通道中选择一条备用通道。当前备用通道的更新可以是随机的、循环的或是其他方式。只要可以成功的建立连接，就可以一直使用它。值得注意的是，无论是SDR或EDR，都可以和TDR一样，依据业务负载随时间变化而选择不同的备用通道。动态备用路由（DAR）和分布式自适应动态路由（DADR）是基于事件路由的例子。从设计基于QoS的Internet路由方案的观点来看，可以从电路交换路由学习许多东西。例如，备用路由和它的控制，以及不同类别的业务动态共享网络资源。然而，这并不是说可以简单地把一些结果应用到一个具有不同速率和一般拓扑的网络中去。下面介绍的在ATM网络中所作的工作可以说明这点。2.2 ATM网络中的QoS路由 ATM论坛制定了PNNI协议，PNNI可以细分为两个协议：一个信令协议和一个路由协议。PNNI信令协议用来建立点到点和点到多点连接，并支持源路由（source routing）和备用路由。PNNI源路由可以建立无循环通道，而且允许每个实施使用自己的通道计算算法。PNNI路由协议是一个动态分级键路状态协议，它通过扩散法传播网络拓扑信息。拓扑信息是定义网络的资源集合（如节点、链路和地址）。基于链路状态的QoS路由普遍存在的一个问题是状态信息的有效广播。扩散法对于静态链路特征比较适合，而对于具有动态特征的网络性能影响很大。2.3 IP网络中的QoS路由早期IP网络中QoS路由的主要目的是通过适应网络拥塞而使时延最小。为此提出了基于最短通道的备用路由，利用本地量度（如最短输出队列）选择路由。最初APRAnet的路由方案是一个距离矢量协议，以时延作为代价标准。后来发现这种方案倾向于产生路由振荡。因为这个以及其它一些原因，就另外为 ARPAnet开发了一种基于链路状态的路由方案。这个方案提出了许多技术如触发更新，扩散法等，这些技术在今天的OSPF协议和PNNI协议中得到了应用。尽管这些方案都不能称为QoS路由方案，但是它们具有一些和QoS路由有关的特点。现在Internet使用的OSPF协议支持业务类别（ToS）路由。尽管IP包的信头中有TOS字段，却没有标准的方法来使用它进行业务类别划分和路由选择。可以利用IP的业务类别特性，以及ToS路由和适当的业务工程实现QoS路由。现在IETF正在研究的区分服务（differentiated service）就是对ToS的改进和扩展。 QoS路由经常使用的优化条件是最大吞吐量或最小延迟。优化路由的一般方法是：给定一条路由的代价，使得网络的收入最大。通常，全局优化的解决方案难以实施，因为它依赖于对业务特征的一些假设，约束条件多，计算复杂。因此，切实可行的方庆是独立地对每一数据流（VC电路或一特定数据流）进行优上，许多这样的方案已经得到了实施。3约束路由这里讨论与业务工程有关的约束路由（constraint basedrouting）。约束路由是在多重条件限制下计算路由，约束路由是队QoS路由演化而来的。在给定对业务流QoS要求的条件下，QoS路由给出最有可能满足QoS要求的路由。通过考虑其它约束条件，约束路由对QoS路由进行了扩展。约束路由的目标是： *选择能够满足一定QoS要求的路由； *避免拥塞并改善网络的效用； *提高网络的利用率。约束路由使一个需求驱动一预约资源的路由协议与现在的拓扑驱动-hop－by－hop Internet内部路由协议可以共存。约束路由使用下面的条件作为输入： *与业务流相关的属性； *与资源相关的属性； *其它的拓扑信息。当决定一条路由时，约束路由不仅考虑网络的拓扑结构，还要考虑数据流的需求，链路资源的可用性，以及网络管理员指定的其它规则。通过对这些因素的全面考虑，约束路由可能发现一条负载很轻但较长的路径要比一条负载很重的最短路径要好。因而可以对网络业务进行更加平均的分配。一个约束路由方案最重要的组成部分包括链路状态信息广播、约束条件选择和路由算法。约束路由结构可以大大减少实现业务工程所需要进行的人工配置。在实践中，业务工程师可以规定业务流的端点，并为业务流分配一套属性，其中包括性能期望和行为特征。然后就让约束路由去寻找一条合适的通道，使其能满足所期望的性能。如果有必要，业务工程师可以人工配置显式路由，以便实现更好的优化性能。4业务工程业务工程（traffic engineering）主要考虑对网络的性能优化。业务工程的目标是有效而可靠的运行网络，同时代化网络资源的使用。业务工程在许多大的自治系统（AS：AutonomousSystems）中已经成为一种必不可少的功能，这是因为昂贵的网络资源以及现在Internet商业化和竞争的特性。这些因素更加强调了对高效运行网络的需要。约束路由技术则是业务工程中重要的组成部分。与业务工程有关的性能指标可分为两类：（1）基于业务的指标；（2）基于资源的指标。基于业务的性能指标包括那些提高业务流QoS的根标。目前的 Internet服务模式只有单一服务类别即Best Effort（尽力服务）。基于业务的性能指标主要包括：包丢失最小限度，时延最小限度，吞吐量最大限度和加强服务级别协议。在只有一种服务类别的情况下，包丢失最小限度是最重要的一种基于业务的性能指标。统计限度的基于业务的性能指标（例如时延变化峰一峰值，丢失率和最大包传送时延）在即将到来的区分服务Internet中可能会更有意义。基于资源的性能指标包括那些与优化利用资源有关的指标。有效管理网络资源是达到基于资源的性能指标的手段。特别地，通常需要确保部分网络资源不会变得过度使用而产生拥塞，而其它可用的备用路由却未充分使用。在现代网络中带宽是至关重要而紧缺的资源。因此，业务工程的一个重要功能就是有效管理带宽资源。将拥塞减少到最低限度是业务工程的一个主要性能指标。这里主要关心的不是由瞬时突发业务引起的短暂拥塞，而是持续时间比较长的拥塞问题。拥塞产生的原因主要是下面两点：（1）网络资源不足以容纳现有的负载。（2）业务流没有被有效地分配到可用资源上，引起部分网络资源过度使用，而其它部分却未充分使用。解决第一种拥塞问题的方法有：①网络扩容；②传统的拥塞控制技术，一般是控制需求以便适应于可用资源。这些技术包括：速率限制，窗口流量控制，路由器队列管理等。第二种拥塞问题，也就是由资源分配不合理而引起的拥塞，可以通过业务工程得到解决。通常，可以采用平衡负荷的方法减少由资源分配不合理而引起的拥塞。这种策略的目标是通过有效资源分配，将最大拥塞减到最少，或者是将最大利用资源减到最少。当通过有效资源分配将拥塞减到最少时，数据包丢失就会减少，合计吞吐量便会增加。从而使最终用户感觉到的网络服务质量得到明显的改善。尽管平衡负荷是一种重要的网络性能优化策略，用于业务工程的能力应该足够灵活，以便使网络管理员可以实施其它策略，综合考虑成本结构和收入模式等。5 MPLS与业务工程多协议标记交换（MPLS）将标记交换结构和网络层路由集成在一起。MPLS的基本概念是在MPLS网络的入口处赋予数据包一个固定长度的标记，这样做的依据是转发同等类别（FEC：Forwarding Equivalence Classes）的概念。在MPLS域内部，使用标记作转发判决，通常不需要求助于原来数据包的信头。从这样一个相对简单的概念出发，可以设计出一套有力的结构，用来处理正在显现的Internet区分服务所带来的一些关键的问题。MPLS的一个最具有战略意义的初始应用将是业务工程，这一点已经达成了共识。 MPLS用于业务工程之所以具有如此大的吸引力，是因为下面一些因素：（1）显式标记交换路径（LSP：LabelSwitched Path）不受传统路由算法的限制，可以很容易的由人工配置产生，或由约束路由算法自动产生。（2）有效地维持LSP具有潜在的可能性。（3）可以将业务流映射到LSP。（4）可以将一套属性与业务流关联起来，用来调整业务流的行为特征。（5）MPLS允许业务汇聚和解体，而传统的基于目的地的IP转发机制只允许业务汇聚。（6）将约束路由和MPLS集成起来相对容易一些。（7）一个好的MPLS实施比其它用于业务工程的方案需要较少的开销。而且，利用显式路由，MPLS可以在现有Internet路由模式上叠加准电路交换的能力。现在许多关于使用MPLS进行业务工程的提议只关注显式LSP的潜力。尽管这种能力是业务工程的基础，但是只有它还是不够的。还需要增加一些规范，才能对大范围的运营网络进行性能优化。 MPLS是一种转发机制，约束路由是一种高级的路由机制，因此从理论上说，它们是相互独立的。约束路由根据资源可用性和拓扑信息确定两个节点之间的路由，并自动平均分配网络的业务负载以避免拥塞。在给定路由的情况下，MPLS利用标记分配协议（LDP：Label Distribution Protocol）建立LSP，它并不关心路由是如何确定的。但是当MPLS和约束路由一起使用时，它们便彼此更加有用。MPLS LSP可以为约束路由提供每条LSP的统计数值，这些统计数值提供了业务流经网络的精确信息。利用这些信息，约束路由可以更好的决定如何配置LSP来传送网络中的业务。MPLS和约束路由相互结合起来为业务工程提供了有力的工具。 ——DMAX（Maximum distance in call setup):激活该参数可以限制小区覆盖范围，改善拥塞和掉话率。但在城效或高速公路这些地区，基站数量较少，DMAX就不能被激活，因为它拒绝远距离的呼叫尝试。（6）其他参数 ——首选BCCH载频：在呼叫分配上，首先BCCH载频是合理的。原因是BCCH载频一直在所有的时隙中发送，因此在分配TCH时首选BCCH载频不会增加网络干扰；另一个原因是BCCH载频的复用不像其他载频那样频繁。因此，BCCH载频质量会更好。 ——Direct access to super frequencies（直接接入超层）：在设置适当的安全门限前提下（如-60dBm），在某些高阻塞率的小区可以激活此参数，这将会提供更多的无线容量。 4结束语以上就GSM话音掉话种类和解决的方法作一简要的分析，关于如何解决掉话的问题，还有许多行之有效的办法，我们只有通过对网络数据的研究分析，通过实地测试勘察，找出问题根源，才能对症下药，从而采取最直接有效的手段提高网络运行质量。

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